FR2591036A1 - Dispositif de detection et de localisation de particules neutres, et applications - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif permet la détection et la localisation de particules neutres, tels que photons X, photons gamma ou neutrons. Il comprend essentiellement un convertisseur solide 2 disposé en incidence rasante par rapport au rayonnement à détecter, et des réseaux de fils tels que 3' disposés à proximité du convertisseur. Application à l'imagerie industrielle. (CF DESSIN DANS BOPI)
Description
DISPOSITIF DE DETECTION ET DE LOCALISATION
DE PARTICULES NEUTRES, ET APPLICATION
La présente invention concerne un dispositif de détection et de localisation de particules neutres, telles que photons X, photons gamma ou neutrons, comprenant au moins un capteur dans lequel sont prévus au moins d'une part un convertisseur capable, sous l'impact de ces particules neutres, d'émettre au moins une particule chargée, et d'autre part un organe de détection électriquement polarisé par rapport à ce convertisseur de manière à attirer ladite
particule chargée.
Des dispositifs de ce type sont connus sous le nom de
"compteurs proportionnels".
Un compteur proportionnel est une chambre à ionisation qui
fonctionne selon un mode particulier.
Dans sa forme de réalisation la plus simple, un tel compteur se compose d'un fil anodique disposé au voisinage d'une cathode, l'ensemble étant contenu dans une enceinte
remplie de gaz.
Lorsqu'une particule ionisante traverse l'enceinte, elle
ionise le gaz et crée des paires électrons-ions positifs.
Les électrons migrent vers l'anode et les ions positifs
vers la cathode.
Un tel dispositif de détection de particules est dit proportionnel lorsque la différence de potentiel entre l'anode et la cathode est telle qu'à proximité du fil anodique le champ électrique est assez intense pour accélérer les électrons, de telle sorte que l'énergie cinétique acquise entre deux collisioins par ces derniers devient supérieure à l'énergie d'ionisation des atomes ou
des molécules de gaz.
Dans ces conditions, les collisions que subissent les électrons peuvent créer des électrons secondaires qui, eux-mêmes, acquièrent de l'énergie cinétique et peuvent à
leur tour libérer d'autres électrons.
Il apparaît ainsi un effet de multiplication de la charge connu sous le nom d'avalanche de Townsend, l'avalanche se terminant lorsque tous les électrons libres ont été
collectés par le fil anodique.
Sous de bonnes conditions, le nombre d'électrons secondaires produits peut être maintenu dans un rapport de proportionalité déterminé avec le nombre d'électrons primaires. L'avalanche conduit à une amplification significative du signal (jusqu'à un facteur 107),
améliorant ainsi le rapport signal/bruit.
Le signal en question, constitué par une charge électrique collectée par le fil anodique, est transmis à un circuit
(ou canal) électronique approprié qui l'amplifie à nouveau.
Ce signal amplifié est représentatif de l'énergie du
phénomène observé.
Si, au lieu de ne comprendre qu'un seul fil, l'anode est constituée d'une pluralité de fils anodiques électriquement isolés les uns des autres, mais tous sensiblement portés au même potentiel électrique avant la détection, la charge électrique que chaque fil anodique collecte dépend de la position du point d'impact du rayonnement sur le détecteur, le fil le plus proche de l'impact collectant la charge la plus élevée. De façon classique, la détection des charges collectées peut être effectuée directement ou indirectement; dans ce dernier cas, les charges électriques sont autorisées à circuler dans un conducteur et la détection consiste en une détection du courant électrique
ainsi produit.
- 3 - Dans les détecteurs de ce type, dénommés "chambres proportionnelles multifils", les fils d'anode s'étendent dans une direction perpendiculaire à la direction de
propagation des particules.
Ces chambres proportionnelles multifils sont couramment utilisées comme détecteurs à localisation pour les
particules chargées.
On peut également les employer pour la détection de particules neutres, notamment pour les photons X et gamma
et les neutrons.
Néanmoins, dans ce dernier cas, leur efficacité devient
généralement très faible.
En pratique, on peut dire que ces détecteurs sont d'une réalisation très délicate lorsque les particules à détecter ont une énergie supérieure à 50 keV et sont inutilisables lorsque les particules à détecter ont une énergie
supérieure à 100 keV.
Dans ce contexte, le but essentiel de l'invention est de proposer un dispositif de détection et de localisation de particules neutres dont l'efficacité soit sensiblement supérieure à celle des chambres proportionnelles multifils, en particulier lorsque l'énergie des particules neutres
dépasse 50 keV.
A cette fin, le dispositif de l'invention, qui comprend un capteur dans lequel sont prévus, comme dans les chambres proportionnelles, un convertisseur produisant des particules chargées, par exemple des électrons, sous l'impact des particules neutres, et un organe de détection, par exemple un ensemble de fils anodiques, électriquement polarisé par rapport au convertisseur de manière à collecter les particules chargées, est essentiellement caractérisé en ce que le capteur est doté d'un convertisseur solide, à la place d'un convertisseur gazeux ou liquide qu'il est connu d'utiliser- dans les chambres proportionnelles. Pour optimiser le rendement de détection de particules neutres se propageant suivant une direction moyenne sensiblement fixe par rapport à chaque capteur, l'invention prévoit que le convertisseur adopte la forme d'une plaque dont une face fait, en certains au moins des ses points, un angle relativement faible, par exemple inférieur à 30 avec la direction moyenne de propagation des particules neutres Bien que la plaque constituant le convertisseur puisse a priori adopter une forme plane, gauche, bombée ou ondulée,
une forme plane convient généralement le mieux.
En fait, l'un des mérites de l'invention réside dans la mise en évidence de l'avantage considérable qui découle d'une faible valeur de l'angle entre le convertisseur et le rayonnement incident, et qui conduit à rechercher effectivement à donner à cet angle une valeur aussi faible que possible, sous réserve bien entendu que la plaque qui constitue le convertisseur offre toujours aux particules neutres incidentes un maitre couple suffisant pour qu'une collision de ces particules avec le convertisseur puisse
toujours avoir lieu.
En effet, l'avantage de réduire l'angle d'inclinaison que forme la plaque, qui constitue le convertisseur, avec le rayonnement incident réside dans le fait que, pour une épaisseur donnée du convertisseur, qu'on supposera plan sans que cette caractéristique soit indispensable, ce convertisseur offre, à sa traversée par les particules -5- neutres, un chemin d'autant plus long que cet angle
d'inclinaison est faible.
Or, la probabilité d'interaction entre les particules incidentes et le convertisseur, donc la probabilité de détection de ces particules, est d'autant plus élevée que le chemin de ces particules à l'intérieur même du
convertisseur, c'est-à-dire dans sa masse, est plus long.
D'un autre côté, pour une même longueur du chemin des particules neutres à l'intérieur du convertisseur, ce dernier est d'autant moins épais que l'angle qu'il forme
avec la direction moyenne du rayonnement est plus faible.
Or, il est précisément très avantageux de réduire l'épaisseur du convertisseur de manière à faciliter l'expulsion, hors de ce convertisseur. des particules chargées créées par les collisions de particules neutres
avec le convertisseur.
Le convertisseur ainsi utilisé est doté d'un fort pouvoir d'arrêt des particules neutres, avec émission en son sein de particules chargées, et par une forte probabilité d'extraction de ces particules chargées hors du convertisseur. Ln effet, la particule neutre a un chemin typiquement de plusieurs millimètres pour traverser le convertisseur et les particules chargées ont un chemin typiquement inférieur à 100 microns pour s'extraire du convertisseur, Dans la pratique, il est préférable que l'une des faces au moins de la plaque constituant le convertisseur fasse. en certains au moins des ses points, un angle au plus égal à
avec la direction de propagation des particules neutres.
- 6 - De bons résultats peuvent être obtenus dans la détection des photons X ou gamma lorsque le convertisseur contient un
matériau dont le numéro atomique est au moins égal à 25.
Il est également avantageux. en particulier pour - la détection des neutrons, que le convertisseur contienne un matériau présentant une section efficace d'interaction avec les particules neutres au moins égale à 1 millibarn. Un -24 2
barn vaut 10 4cm.
Parmi les matériaux possibles, le convertisseur contient de préférence un matériau du groupe comprenant le tungstène, le tantale. le plomb, le cadmium, le gadolinium. le bore, le samarium. l'europium, le lithium. le dysprosium, le rhodium. le béryllium. le carbone, l'or, l'argent, le lanthane, l'uranium appauvri, le platine, le thalium, le niobium, le molybdène, le nickel, le cuivre, le cobalt, le fer, l'iridium, le mercure. l'indium, le manganèse,
l'hydrogène, le deutérium. l'azote. l'oxygène, et le chlore.
A titre d'exemple plus précis, le convertisseur peut avoir une épaisseur au plus égale à 2 millimètres et faire, au moins en certains points de l'une de ses faces, un angle inférieur ou égal à 5 avec la direction moyenne de
propagation des particules neutres.
Pour des photons d'une énergie de 400 keV par exemple, le convertisseur peut être une plaque de tantale ayant une épaisseur au plus égale à 200 microns et faisant. au moins en certains points de l'une des ses faces. un angle inférieur ou égal à 2 avec la direction moyenne de propagation des particules neutres L'organe de détection peut être constitué par une simple plaque si le dispositif, par exemple pour des applications -7 - à taux de comptage réduit, est utilisé en mode PPAC (parallel plate avalanche counter), c'est-à-dire en mode de comptage à avalanche à plaques parallèles et non pas en
mode proportionnel.
Cependant, pour l'utilisation du dispositif en mode proportionnel. l'organe de détection comprend un réseau d'éléments de détection de forme allongée, destinés à être reliés à des circuits électroniques de détection de charges
(encore appelés canaux).
Ces canaux électroniques, connus en eux-mêmes, peuvent par exemple être du type de ceux qui sont utilisés avec les
chambres proportionnelles multifils.
Les éléments de détection allongés peuvent être des bandes
plus ou moins larges (mode pseudo PPAC), ou des fils.
Dans les cas o une grande définition est exigée et o les éléments de détection allongés sont électriquement isolés les uns des autres, l'organe de détection comprend de préférence au moins un réseau de fils électriquement conducteurs, tendus les uns à côté des autres dans un plan parallèle à celui de la plaque, et parallèlement à la projection, sur le plan de cette plaque, de la direction
moyenne de propagation des particules neutres.
Cependant, les éléments de détection de forme allongée peuvent aussi être constitués par un matériau électriquement conducteur mais néanmoins assez résistif; ces éléments sont alors tendus parallèlement au plan de la plaque et disposés perpendiculairement à la projection, sur le plan de cette plaque, de la direction moyenne de propagation des particules neutres: ces éléments sont dans 8 - ce cas électriquement reliés les uns aux autres à leurs deux extrémités, chaque extrémité étant elle-même reliée à un canal électronique correspondant de détection de charges: dans un tel montage, la localisation des particules neutres le long des éléments de détection est obtenue grâce à la répartition, dans les deux canaux électroniques, du courant produit par les charges collectées. Par exemple, la distance entre deux fils voisins et la distance entre chaque fil et le convertisseur pourront être
inférieures à 15 millimètres.
L'efficacité du dispositif est encore améliorée si ce
dernier est doté d'une électrode plane supplémentaire.
portée sensiblement au même potentiel électrique que le convertisseur, et disposée parallèlement à ce dernier. et de l'autre côté du réseau de fils par rapport à lui, et si l'organe de détection comprend un réseau de fils et une
électrode supplémentaire de chaque côté du convertisseur.
Pour contrôler les paramètres de fonctionnement du dispositif, sur lesquels la nature du milieu séparant le convertisseur de l'organe de détection a une grande influence, le capteur comprend une enceinte renfermant le convertisseur et l'organe de détection, cette enceinte étant perméable aux particules neutres à détecter, et au
moins partiellement remplie d'un gaz inerte.
De préférence, la pression de gaz dans l'enceinte est inférieure à 10 pascals et la différence de potentiel électrique entre l'organe de détection et le convertisseur
est inférieure à 30 kV.
Le dispositif comprend avantageusement une potence maintenant le convertisseur et l'organe de détection
2 5 9 1 0 3 6
-9-- suivant une inclinaison qui, repérée par rapport à un axe de référence lié à la forme extérieure de l'enceinte, permet d'obtenir l'orientation désirée du convertisseur par rapport à la direction moyenne de propagation des particules neutres en orientant cet axe de référence dans
cette direction.
Le dispositif de l'invention, adapté à la détection et à la localisation de particules neutres, peut être appliqué à l'imagerie, c'est-à-dire être utilisé pour obtenir une
image au moins partielle d'un corps.
Si, en effet, un corps est irradié par une source de particules neutres, le rayonnement traversant ce corps subit des atténuations en fonction de la nature du matériau traversé et de sa masse, et présente une distribution spatiale d'intensité correspondante, qu'un capteur tel que
décrit précédemment peut révéler.
Dans ces applications, le dispositif de l'invention comprend donc généralement au moins une source de particules neutres éloignée du ou des capteurs, ce ou ces dernier(s) étant orientés en prenant comme direction moyenne de propagation des particules neutres la direction
de l'axe qui les joint à la source.
De préférence, le dispositif comprend alors au moins un collimateur de particules neutres associé à un capteur correspondant, ce collimateur présentant une fente restreignant le faisceau de particules reçues de la source à un faisceau en nappe centré sur la direction moyenne de propagation et dont la trace, sur le plan du convertisseur de ce capteur, est sensiblement perpendiculaire à cette
direction moyenne de propagation.
- 10 -
Le dispositif peut comprendre un bâti sur lequel sont
montés plusieurs capteurs.
Dans ce cas, les capteurs sont avantageusement disposés en quinconce sur le bâti de manière que leurs corivertisseurs respectifs, considérés dans leur ensemble, interceptent intégralement un faisceau de particules neutres en nappe en
provenance de la source.
En outre, le bâti adopte de préférence une forme enveloppante, telle que celle d'un L, d'un U ou d'un arc de cercle, la source étant disposée, à distance du bâti, à
l'intérieur de cette forme enveloppante.
Le dispositif peut comporter au moins deux sources de particules neutres ou une source susceptible d'être placée en au moins deux positions différentes; dans ce cas, les capteurs peuvent être montés à rotation sur le bâti de manière à pouvoir pointer vers l'une ou l'autre des sources de particules neutres, ou des positions possibles de la source. Le capteur peut être doté d'un convertisseur de surface sensiblement supérieure à so500cm associé à deux réseaux de fils s'étendant suivant deux directions orthogonales, de manière à pouvoir fournir une image bidimensionnelle d'un corps irradié selon la technique d'influence
électrostatique précédemment décrite.
En outre, le dispositif peut comporter un empilement de plans comprenant alternativement: le convertisseur et
l'organe de détection.
Ces plans sont parallèles les uns aux autres et placés, comme précédemment décrit. à incidence rasante par rapport
à la direction de propagation des particules neutres.
- 11 -
Chaque organe de détection, comme énoncé précédemment, peut être composé d'une série de N bandes conductrices, ou de fils isolés individuellement et parallèles à la projection, sur le plan du convertisseur correspondant, de la direction moyenne de propagation des particules neutres. Si le dispositif comporte M organes de détection, il est apte à donner une image bidimensionnelle d'un corps irradié,
correspondant à une matrice de N x M éléments.
Néanmoins, comme la géométrie du capteur décrit jusqu'à présent s'adapte davantage à la réalisation d)images unidimensionnelles, une solution plus simple pour obtenir une image bidimensionnelle d'un corps de dimensions et/ou de volume importants (plusieurs dizaines de mètres cubes par exemple) consiste, comme cela est connu en soi en imagerie, à former une image d'une section du corps à examiner, à scanner le corps à examiner, c'est-à-dire à le balayer en section, et à enregistrer au cours du temps les différentes images obtenues, correspondant aux différentes
sections observées.
Dans ce cas, le corps est déplacé par rapport au capteur ou à la source, ou même de préférence par rapport au capteur
et à la source.
Le dispositif de l'invention permet notamment d'obtenir une image d'un objet dense, offrant à sa traversée par les particules neutres une épaisseur de métal supérieure au centimètre, et par exemple jusqu'à au moins une soixantaine
de centimètres s'il s'agit de fer ou d'acier.
Le dispositif peut ainsi notamment être utilisé pour réaliser des images d'objets denses et volumineux, tels que
des conteneurs.
- 12 -
Dans ce type d'application, il est commode d'utiliser des photons X, ou gamma. Leur énergie est par exemple au moins égale à 50 keV, de préférence comprise entre 250 keV et 2
MeV. et plus typiquement de l'ordre de 350 keV à 750 keV.
Les avantages du dispositif de l'invention sont nombreux.
L'efficacité très élevée du capteur, de l'ordre de 30% avec un rayonnement de 400 keV, permet d'obtenir une image très
contrastée des objets examinés.
D'un autre côté, toujours en raison de cette grande efficacité, il n'est pas nécessaire d'avoir recours à ces rayonnements très énergétiques, même pour former des images d'objets denses et volumineux comme cela a été mentionné précédemment; il en résulte que les mesures à prendre pour ce qui concerne la protection contre les rayonnements restent modérées, que les sources à utiliser, c'est-à-dire typiquement les générateurs de rayons X, restent d'un volume et d'un coût raisonnables, et que l'angle d'émission des rayons X émis par ces générateurs reste assez important, ce qui permet d'irradier un objet relativement volumineux dans un espace assez restreint, c'est-à-dire dans une installation ou un bâtiment de taille assez
modeste.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront de la description d'un mode de réalisation
particulier plus spécifiquement adapté à la détection des photons. qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue en coupe schématique partielle du capteur utilisé dans le dispositif de l'invention, cette vue illustrant le principe de fonctionnement de
- 13 -
ce capteur,
- la figure 2 est une vue partielle éclatée du capteur.
- la figure 3 est une vue en coupe du capteur complet, - la figure 4 est une vue en perspective d'une installation d'imagerie industrielle utilisant le dispositif de l'invention, et - la figure 5, composée des figures SA et 5B représente
des détails du dispositif.
L'invention concerne un dispositif comprenant au moins un capteur 1 (intégralement visible sur la figure 3), dans lequel sont prévus un convertisseur 2 (figure 1) et un organe de détection, lui-même composé de plusieurs éléments
3, 3'. 4, 4' qui seront décrits ultérieurement.
Ce capteur est destiné à détecter et à localiser des particules neutres (telles que photons X, photons gamma, neutrons), qui l'irradient. La direction moyenne de propagation de ces particules, qui sur la figure. est symbolisée par un trajet ondulatoire, est supposée sensiblement fixe par rapport au capteur, au moins pendant la détection. Ces particules seront supposées se propager dans une nappe perpendiculaire au plan de la figure 1, et dont la trace dans le plan de cette figure correspond
sensiblement au trajet ondulatoire.
Le convertisseur 2 est une plaque d'un matériau de numéro atomique élevé, par exemple du tantale, disposée en incidence rasante par rapport à la direction de propagation des particules neutres: ainsi, à titre indicatif, l'angle alpha entre cette plaque et cette direction peut être égal
- 14 -
à 1 . Sur les figures 1 et 3, ce convertisseur est supposé
disposé dans un plan perpendiculaire à celui de ces figures.
Ce convertisseur mesure par exemple 30 centimètres en longueur (dimension la plus longue visible sur les figures 1 à 3). 16 centimètres de largeur (dimension perpendiculaire ou pratiquement perpendiculaire au plan de
chacune des figures i à 3) et 70 microns d'épaisseur.
Bien que cette caractéristique ne soit pas indispensable, il est commode d'utiliser un convertisseur plan. Si la rigidité de la plaque constituant ce convertisseur n'est pas suffisante, il est possible de coller cette plaque sur un support rigide, moyennant une perte d'efficacité de 1S l'ordre de 20% à 50%, compte tenu du fait que les électrons
ne sont plus détectés que dans un demi espace..
Comme le montre la figure 1, plus l'angle alpha est petit et plus, pour une même épaisseur du convertisseur, la distance que la particule incidente doit ou devrait parcourir dans ce convertisseur pour le traverser est importante. Pour un angle alpha de 1 et une épaisseur de 70 microns du convertisseur, cette distance est de l'ordre de 4.000
microns, c'est-a-dire 4 millimètres.
Le convertisseur 2 est flanqué de deux réseaux de fils conducteurs 3 et 3'. portés à un potentiel électrique
différent de celui auquel est porté le convertisseur 2.
Par exemple, les réseaux de fils 3 et 3' sont à un potentiel de masse, tandis que le convertisseur est porté à
un potentiel négatif de 2 à 3 kV.
- 15 -
Sous l'impact d'une particule neutre incidente, le
convertisseur 2 est susceptible, par effet photoélectrique.
par effet Compton. ou par création de paires, de libérer au moins un électron primaire el à haute énergie qui peut ioniser le gaz et créer des paires électrons-ions. Les électrons secondaires e2 ainsi créés migrent, en raison de leur charge électrique, vers l'un des deux
réseaux de fils 3, 3'.
Dans le langage de l'homme de l'art, les particules chargées, telles que les électrons, sont souvent dénommées "charges". Alors que l'angle alpha entre les particules incidentes et le convertisseur 2 est faible, l'angle d'émission des électrons el par rapport au convertisseur peut être élevé, et pratiquement égal à 90,0. de sorte que le chemin que les électrons doivent effectuer à l'intérieur du convertisseur pour s'en extraire est très petit vis-à-vis des 4 millimètres d'épaisseur virtuelle que ce
convertisseur offre au rayonnement incident.
Les réseaux de fils anodiques 3 et 3' permettent une amplification de signal par une multiplication des charges grâce au phénomène connu de l'avalanche de Townsend. et permettent également une localisation de la charge ainsi reçue. Ces fils sont situés de part et d'autre du convertisseur 2, dans des plans parallèles à ce dernier, c'est-à-dire dans des plans respectifs perpendiculaires au
plan de la figure 1.
Les fils des deux réseaux 3 et 3' sont en outre parallèles à la projection, sur le- plan de la plaque 2, de la
direction moyenne de propagation des particules neutres.
- 16 -
Comme cette direction moyenne correspond sur la figure 1 à celle du trajet ondulatoire représenté, la projection de cette direction sur la plaque 2 est confondue, sur la figure 1. avec le bord inférieur du rectangle très allongé S représentant la section droite de cette plaque, et les fils
des deux réseaux 3 et 3' sont parallèles à cette projection.
Tous les fils des deux réseaux 3 et 3' sont portés au même potentiel électrique, mais chaque fil de chaque réseau est électriquement isolé de tous les autres fils du même
réseau. En revanche. chaque fil de chaque réseau peut.
comme représenté sur la figure 1, être relié au fil de l'autre réseau qui occupe la position symétrique par rapport au plan du convertisseur. pour former avec lui une paire de fils de détection. Chacune des paires de fils de détection que les réseaux 3 et 3' peuvent former est reliée à un canal électronique de détection séparé, symbolisé par un amplificateur 5. Chaque canal amplifie le courant électrique correspondant aux charges e collectées sur la paire de fils à laquelle il est associé. Ainsi, l'ensemble des canaux électroniques délivrent un ensemble de signaux électriques qui représente une image de la distribution d'intensité des particules neutres suivant une direction
perpendiculaire au plan de la figure 1.
Ces signaux sont utilisés, comme cela est bien connu de
l'homne de l'art, pour obtenir une image finale video.
L'organe de détection du capteur comprend en outre deux électrodes planes supplémentaires 4 et 4', disposées parallèlement au convertisseur 2 et aux réseaux 3 et 3!. au delà de ces derniers par rapport au convertisseur. Ces électrodes supplémentaires sont portées au même potentiel que le convertisseur, c'est-à-dire à un potentiel négatif
de 2 à 3 kV.
-17 - Bien que non indispensables. ces électrodes supplémentaires permettent une meilleure multiplication et une meilleure collection des charges, ainsi qu'une suppression des forces électrostatiques qui, jouant sur les fils anodiques des réseaux 3 et 3', pourraient les incurver et modifier le
comportement du capteur.
La figure 2 permet d'avoir une meilleure représentation spatiale de la structure de l'ensemble convertisseur-organe
de détection.
La figure 2 montre au centre le convertisseur 2 qui, dans le mode de réalisation particulier présenté, est une plaque
de tantale de 30cmxl6cmx70 microns.
Cette plaque est tendue entre deux cadres rectangulaires en
acier inoxydable 6, 7, ayant chacun une épaisseur de 1.5mm.
Le cadre 7 qui, sur la figure 2, se trouve être le cadre inférieur, est privé de bord du côté o le convertisseur reçoit le rayonnement de particules neutres, symbolisé par les flèches. Ce bord est remplacé par un élément allongé 7a réalisé en un matériau plus perméable aux particules neutres que l'acier, par exemple en résine époxy chargée de
fibre de verre.
De part et d'autre de l'ensemble 2-6-7-7a constitué par le convertisseur et ses cadres, sont montées deux plaques 8 et 9 supportant des fils anodiques tels que 3a, arrangés en réseaux 3, 3'. Pour des raisons de clarté du dessin, le
réseau 3 n'a pas été représenté sur la figure 2.
Ces plaques 8 et 9, plus longues que les cadres 6 et 7, sont réalisées en un matériau isolant rigide et perméable aux particules neutres. Lesplaques de résine époxy chargée
- 18 -
de fibre de verre, qui sont généralement utilisées comme
supports de circuits imprimés, conviennent très bien.
Ces plaques 8 et 9 ont chacune une épaisseur de 1.Smm et S sont percées de fenêtres 8a, 9a aux dimensions intérieures
des cadres 6 et 7.
Les fils anodiques. tels que 3'a, du réseau 3' sont tendus sur la surface supérieure (dans le sens de la figure 2) de
la plaque 8, au dessus de la fenêtre 8a.
Ces fils, par exemple réalisés en tungstène doré ou en acier inoxydable, et présentant chacun un diamètre de 50 microns, sont ainsi tendus parallèlement les uns aux autres, la distance entre deux fils voisins étant par
exemple voisine de 2.5mm.
Ces fils sont maintenus sur la plaque 8 par tout moyen
approprié, par exemple par des points de soudure 10.
Ces fils, électriquement isolés les uns des autres grâce à la résistivité très élevée du cadre 8, sont séparément raccordés aux différentes cellules de branchement d'un
connecteur 11 fixé à l'extrémité de la plaque 8.
Les deux fils tendus le long de chacun des bords de la fenêtre 8a ont un diamètre supérieur à celui des autres fils et par exemple égal à 70 microns et ne sont pas raccordés au connecteur 11. Cette caractéristique, non spécifiquement représentée sur la figure 2 pour des raisons de clarté, permet d'assurer un champ électrique uniforme
sur tous les fils anodiques reliés au connecteur 11.
Le réseau de fils 3 porté par la plaque 9 est réalisé de façon analogue, symétriquement par rapport au plan du
convertisseur 2.
- 19 -
En d'autres termes, si l'on se réfère à la disposition de la figure 2. les fils du réseau 3 sont tendus sur la
surface non visible de la plaque 9.
Seul le raccordement des réseaux de fils 3 et 3' peut différer. Par exemple, comme représenté sur la figure 2. la plaque 9 est moins longue que la plaque 8 et les fils tels que 3a, 3b du réseau 3 sont séparément raccordés aux fils 3'a, 3'b du réseau 3' qui occupent les positions symétriques par rapport au plan du convertisseur 2, au voisinage du point de raccordement de ces derniers au connecteur 11. Ainsi le connecteur 11, bien que porté par la plaque 8. sert
également aux fils du réseau 3 portés sur la plaque 9.
De part et d'autre de l'ensemble 2-6-7-8-9 décrit jusqu'à présent sont symétriquement disposés, à une distance de chacun des réseaux 3 et 3' fixée à 3mm par des cales d'épaisseur 12a, 12b. 13a, 13b, les électrodes planes
supplémentaires 4 et 4'.
Ces dernières, aussi dénommées cathodes en raison de leur polarisation électrique négative, sont par exemple des plaques d'acier inoxydable, dont une des fonctions est de repousser les électrons arrachés au convertisseur vers les
fils anodiques des réseaux 3 et 3'.
Au dessus de la cathode 4' (dans la disposition représentée sur la figure 2) est prévue une plaque isolante 14 dont la fonction d'isolation sera mieux comprise en référence à la
figure 3.
Enfin, une entretoise 15 est disposée entre les plaques 8
et 9 afin d'éviter tout mouvement relatif de ces plaques.
- 20 -
L'empilement décrit en référence à la figure 2 est assemblé par des moyens appropriés, par exemple grâce à des vis de NYLON traversant et maintenant solidaires les éléments empilés. L'ensemble est monté (figure 3) sur une potence 16, la plaque 14 isolant la cathode 12 de la potence pour le cas
ou cette dernière est métallique.
La potence 16 est fixée par tous moyens appropriés, tels que des boulons 17., sur la base 18a d'une enceinte 18
étanche au gaz.
Cette enceinte 18 est essentiellement constituée d'un caisson parallélépipédique l8b rendu solidaire de la base
18a au moyen d'organes appropriés tels que des boulons l9a.
19b et des écrous 20a. 20b, un joint torique 21 assurant
l'étanchéité de l'enceinte au gaz.
L'enceinte est réalisée en un matériau perméable aux particules neutres et mécaniquement résistant, par exemple
en aluminium.
Sur la figure 3. la référence 22 désigne l'axe de symétrie longitudinal de la forme extérieure parallélépipédique de
l'enceinte 18.
Les traqes de cet axe sur la base 18a et sur le fond de caisson 18b peuvent être déterminées par de simples mesures
de longueur.
Pour assurer une orientation correcte du convertisseur par rapport au rayonnement incident, alors que ce convertisseur. enfermé dans l'enceinte 18. n'est plus visible, la potence 16 maintient le convertisseur 2 dans
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une orientation, repérée par rapport à l'axe de référence 22, qui correspond à l'inclinaison souhaitée de ce convertisseur sur la direction moyenne de propagation des
particules neutres.
En d'autres termes, le plan d'appui qu'offre la potence 16 à l'empilement décrit en référence à la figure 2 fait un angle alpha de 1 avec l'axe 22, de sorte qu'il suffit d'aligner cet axe avec la direction moyenne de propagation des particules pour obtenir l'orientation correcte du convertisseur 2 autour d'un axe perpendiculaire au plan de la figure 3. L'enceinte 18 peut ensuite être orientée par rotation autour de l'axe 22 pour que le bord antérieur du convertisseur 2, connexe à l'élément de cadre 7a, se trouve parallèle au plan moyen d'une nappe 23 du faisceau de
particules incidentes.
Ce plan moyen, et le bord antérieur du convertisseur sont
alors perpendiculaires au plan de la figure 3.
Le faisceau en nappe 23 de particules neutres est défini par une longue fente 24 d'un collimateur 25 par exemple constitué d'un blindage de plomb, cette fente ayant une largeur de 5mm et une longueur de 16cm. Sur la figure 3, la direction de la longueur de la fente 24 est perpendiculaire au plan de la figure, et la trace, sur le convertisseur 2, du plan moyen de la nappe 23 est une ligne 26 perpendiculaire au plan de la figure 3 et située environ à
mi-hauteur du convertisseur.
La base 18a de l'enceinte 18 comprend un connecteur à broches 27 à traversée étanche. Chaque cellule de branchement du connecteur 11 est, à l'intérieur de l'enceinte 18, raccordée à l'une des broches du connecteur 27 et, à l'extérieur de l'enceinte, chaque broche est
- 22 -
* raccordée à un canal électronique de traitement correspondant. La base 18a reçoit également une vanne 28 permettant de remplir l'enceinte à toute pression convenable, au moyen d'un gaz adéquat. Le gaz choisi est essentiellement constitué d'un gaz inerte, tel que de l'argon, auquel sont rajoutées des traces d'un gaz à molécule polyatomique, tel que de l'isobutane, de l'éthane, de l'alcool sous forme vapeur, du
méthylal ou un mélange gaz carbonique/alcool.
La pression est réglée à une valeur comprise entre 5.10 et 10 pascals. et dans le mode de réalisation
particulier décrit, fixée à 10 pascals-.
I1 est possible également, pour éviter les conséquences d'un vieillissement du gaz, de prévoir deux ouvertures dans l'enceinte. telles que celle que forme la vanne 28, de manière à pouvoir établir une circulation continue et/ou un
renouvellement de gaz dans l'enceinte.
Enfin, la base 18a comprend une autre traversée étanche 29
pour un câble électrique 30.
Ce câble. à isolation externe, a pour fonction de raccorder le convertisseur 2 et les cathodes 4 et 4' à un potentiel électrique de polarisation négatif, de l'ordre de 2 ou 3 kV
dans l'exemple décrit.
Les conducteurs électriques de ce câble sont par exemple raccordées à des prises latérales (non visibles) du
convertisseur et des cathodes.
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La tension de polarisation choisie dépend de la distance entre les fils anodiques des réseaux 3 et 3' et le convertisseur 2. de la pression de gaz dans l'enceinte, du facteur d'amplification souhaité pour les avalanches de Townsend. et du diamètre des fils anodiques. La tension choisie est avantageusement de l'ordre d'un volt par millimètre et par torr (1 torr vaut environ 1.3 102 pascals). La figure 4 représente une installation utilisant le
dispositif de l'invention.
Le dispositif comprend un bâti 31 sur lequel sont montés
plusieurs capteurs tels que le capteur 1 de la figure 3.
1S une trentaine par exemple (voir fig. 5A).
Une source 32 de particules neutres, telle qu'un générateur de rayons X. un accélérateur linéaire ou une source isotopique (cobalt 60 par exemple) est disposée à distance du bâti 31 de manière à émettre des particules vers les
capteurs. ou vers certains au moins d'entre eux.
Le bâti 31 a une forme enveloppante, par exemple une forme en L ou en demi-cercle, et la distance entre le bâti et la source peut atteindre plusieurs mètres, de manière à permettre l'interposition d'un objet éventuellement volumineux, tel qu'une remorque ou un conteneur 33. qui
défile à vitesse constante dans le sens de la flèche.
Une installation d'imagerie 34, protégée de la source 32 par un mur 35, reçoit, de chacune des broches des connecteurs 27 de chacun des capteurs 1 montés sur le bâti 31. un signal de courant, éventuellement préamplifié par un amplificateur tel que 5, représentant l'intensité du rayonnement de particules neutres qui, ayant traversé
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l'objet 33. ont été détectées par deux fils anodiques. tels
que 3a et 3'a. raccordés à cette broche.
Chacun de ces signaux est ainsi représentatif de l'absorption du rayonnement de la source par l'objet examiné 33 suivant une direction très précise, donc représentatif de la nature et de la masse du matériau traversé. Les signaux de courant sont individuellement intégrés
pendant un court intervalle de temps, par exemple 2Oms.
puis convertis en échantillons numériques qui sont stockés
dans une mémoire.
Les échantillons numériques relatifs à une même période d'intégration correspondent ainsi à une image-de la section
de l'objet 33 qui a été irradiée pendant cette période.
L'ensemble des échantillons numériques mémorisés, et correspondant à l'ensemble des périodes d'intégration qui se sont écoulées pendant le défilement complet de l'objet 33. peuvent donc être utilisés, selon des techniques connues, pour reconstruire une image bidimensionnelle de
cet objet.
En pratique il peut être intéressant, comme le montre la figure SA. de prendre deux images de l'objet 33 de façon à en couvrir tous les angles, ou à en obtenir une image stéréoscopique. Ceci peut être réalisé en déplaçant la source 32 entre les deux prises d'images (ou en utilisant une première puis une seconde source), et en faisant pointer les capteurs. pour
chacune des prises d'image. vers la source utilisée.
- 25- A cette fin, les capteurs 1 peuvent être montés à rotation sur le bâti, autour d'un axe perpendiculaire au plan de la figure 5A, de manière à pouvoir adopter l'une ou l'autre des deux positions pour lesquelles ils pointent vers la source. La figure SA représente en 36 un détail que la figure 4
avait omis pour des raisons de clarté.
Cette référence 36 désigne un collimateur, par exemple une plaque de plomb, présentant une fente allongée dans le plan de la figure 5A, de façon à limiter l'émission des particules neutres à un faisceau en nappe dont le plan moyen, correspondant au plan moyen du bâti, est parallèle au plan de la figure 5A, et dont l'épaisseur est du même
ordre de grandeur que celle du bâti 31.
La figure SB est une vue suivant les flèches BB de la
figure SA.
Cette figure illustre une solution à un problème qui se pose dans la mise en oeuvre du procédé d'imagerie de la
figure SA.
En effet, l'encombrement de chaque capteur, dans une direction perpendiculaire au plan de la figure 3, est nécessairement supérieur à la largeur du convertisseur intégré dans ce capteur. Il est donc impossible, en disposant les capteurs sur une seule rangée (de droite à gauche sur la figure 5B) d'intercepter intégralement, c'est-à-dire dans toute son étendue dans son plan moyen, le faisceau en nappe émis par la source 32 et le collimateur 36. Ce problème est résolu en disposant les capteurs 1 en
quinconce sur le bâti, comme le montre la figure 5B.
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Avec un convertisseur de tantale d'une épaisseur de 100 microns, une distance convertisseur-fils anodiques de 2.5 mmune distance sourcecapteur de 3m, et un générateur de rayons X de 400 keV à 10 mA. l'interposition de 4cm d'acier entre la source et le capteur conduit à un courant de l'ordre de 6.10 -6A sur les fils anodiques. et l'interposition de 14cm d'acier conduit encore à un courant de l'ordre de 3.10 A. Comme cela apparaitra à l'homme de l'art,. les applications du dispositif de l'invention sont nombreuses et ne se limitent pas à l'application spécifiquement illustrée par
les figures 4 et 5.
En particulier, l'invention peut être utilisée en scintigraphie et en tomographie par rayons X, par rayons
gamma. par neutrons ou par émission de positrons.
Dans tous ces cas, la très grande efficacité du capteur de l'invention permet l'obtention d'une bonne image même en
l'absence d'un fort rayonnement.
L'invention peut en outre être utilisée dans des applications pour lesquelles aucun balayage n'est nécessaire, par exemple pour obtenir une image unidimensionnelle de diffraction X,
- 27 -
Claims (35)
1. Dispositif de détection et de localisation de particules neutres. telles que photons X, photons gamma ou neutrons, comprenant au moins un capteur dans lequel sont prévus au moins d'une part un. convertisseur capable, sous l'impact de ces particules neutres, d'émettre au moins une particule chargée, et d'autre part un organe de détection électriquement polarisé par rapport à ce convertisseur de manière à attirer ladite particule chargée, caractérisé en ce que le
convertisseur est un solide.
2. Dispositif suivant la revendication 1, adapté à la détection et à la localisation de particules neutres se propageant. par rapport à chaque capteur, suivant une direction moyenne sensiblement fixe. caractérisé en ce que le convertisseur adopte la forme d'une plaque dont une des faces fait, en certains au moins des points, un angle inférieur à 30 avec la direction moyenne de
propagation des particules neutres.
3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le convertisseur est fait d'une plaque dont une des faces fait, en certains au moins des ses points, un angle au plus égal à 10 avec la direction moyenne de
propagation des particules neutres.
4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur contient un matériau dont le numéro atomique est au
moins égal à 25.
5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur
- 28 -
contient un matériau présentant une section efficace d'interaction avec les particules- neutres au moins
égale a 1 millibarn.
6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
1 à 3, caractérisé en ce que le convertisseur contient un matériau du groupe comprenant le tungstène, le tantale. le plomb, le cadmium, le gadolinium, le bore, le samarium, l'europium. le lithium. le dysprosium, le rhodium. le béryllium. le carbone, l'or, l'argent, le lanthane, l'uranium appauvri, le platine, le thalium, le niobium. le molybdène, le nickel, le cuivre, le cobalt, le fer, l'iridium, le mercure, l'indium, le manganèse, l'hydrogène, le deutérium, l'azote,
l'oxygène, et le chlore.
7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
2 à 6. caractériseé en ce que la plaque constituant le convertisseur a une épaisseur au plus égale à 2 millimètres et fait. en certains points au moins de l'une des ses faces, un angle au plus égal à 50 avec la
direction moyenne de propagation des particules neutres.
8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
2 à 7, caractérisé en ce que le convertisseur est une plaque de tantale dont l'épaisseur est au plus égale à microns et qui fait, au moins en certains points de l'une des ses faces, un angle au plus égal à 2 avec la
direction moyenne de propagation des particules neutres.
9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
2 à 8. caractérisé en ce que ledit organe de détection comprend un réseau d'éléments de détection de forme allongée.
- 29 -
10. Dispositif suivant, la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits éléments de détection de forme allongée sont électriquement isolés les uns des autres et destinés à être reliés à des canaux électroniques
séparés de détection de charges.
11. Dispositif suivant la revendication 9 ou 10, dans lequel ladite plaque constituant le convertisseur est plane, caractérisé en ce que l'organe de détection comprend au moins un réseau de fils électriquement conducteurs tendus les uns à côté des autres dans un
plan parallèle à celui de la plaque.
12. Dispositif suivant la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits fils sont tendus parallèlement à la projection, sur le plan de la plaque constituant le convertisseur, de la direction moyenne de propagation
des particules neutres.
13. Dispositif suivant la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que la distance entre deux fils voisins et la distance entre chaque fil et le
convertisseur sont inférieures à 15 millimètres.
14. Dispositif suivant l'une quelconque des revendication 11 à 13, caractérisé en ce que l'organe de détection comprend en outre au moins une électrode plane supplémentaire, portée sensiblement au même potentiel électrique que le convertisseur, et disposée parallèlement à ce dernier, et de l'autre côté du
réseau de fils par rapport à lui.
- 30 -
15. Dispositif suivant la revendication 14. caractérisé en ce que l'organe de détection comprend un réseau de fils et une électrode supplémentaire de chaque côté du convertisseur.
16. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que le capteur comprend en outre une enceinte renfermant le convertisseur et l'organe de détection, cette enceinte étant perméable aux particules neutres à détecter, et au moins
partiellement remplie d'un gaz inerte.
17. Dispositif suivant les revendications 13 et 16,
caractérisé en ce que la pression de gaz dans
l'enceinte est inférieure à 106 pascals.
18. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
2 à 17. caractérisé en ce que la différence de potentiel électrique entre l'organe de détection et le
convertisseur est inférieure à 30 kV.
19. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
précédentes combinée à la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend une potence maintenant le convertisseur et l'organe de détection suivant une inclinaison qui, repérée par rapport à un axe de référence lié à la forme extérieure de l'enceinte, permet d'obtenir l'orientation désirée du convertisseur par rapport à la direction moyenne de propagation des particules neutres en orientant cet axe de référence
dans cette direction.
20. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
2 à 19, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une source de particules neutres éloignée du ou des capteurs. ce ou ces dernier(s) étant orientés en
- 31 -
prenant comme direction moyenne de propagation des particules neutres la direction de l'axe qui les joint
à la source.
S
21. Dispositif suivant la revendication 20. caractérisé en ce qu'il comprend au moins un collimateur de particules neutres associé à un capteur correspondant, ce collimateur présentant une fente restreignant le faisceau de particules reçues de la source à un faisceau en nappe centré sur la direction moyenne de propagation et dont la trace, sur le plan du convertisseur de ce capteur. est sensiblement perpendiculaire à cette direction moyenne de propagation.
22. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
précédentes combinée à la revendication 19. caractérisé en ce que la source est une source de photons X ou
gamma dont l'énergie est au moins égale à 50 keV.
23. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
2 à 22. caractérisé en ce qu'il comprend un bâti sur
lequel sont montés plusieurs capteurs.
24. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications
2 à 22, combinée aux revendications 20 et 23,
caractérisé en ce que les capteurs sont disposés en quinconce sur le bâti de manière - qué leurs convertisseurs respectifs, considérés dans leur ensemble, interceptent intégralement un faisceau de
particules neutres en nappe en provenance de la source.
25. Dispositif suivant la revendication 24, caractérisé en ce que le bâti adopte une forme enveloppante, telle que celle d'un L. d'un U ou d'un arc de cercle, la source
- 32 -
étant disposée, à distance du bâti, à l'intérieur de
cette forme enveloppante.
26. Dispositif suivant la revendication 24 ou 25.
caractérisé en ce que les capteurs sont montés à rotation sur le bâti de manière à pouvoir pointer vers l'une ou l'autre d'au moins deux sources de particules neutres, ou d'au moins deux positions possibles de source.
27. Application d'un dispositif suivant l'une quelconque
des revendications précédentes à l'obtention d'une
image au moins partielle d'un corps irradié par des
particules neutres.
28. Application suivant la revendication 27 d'un dispositif
suivant l'une quelconque des revendications 20 à 26.
dans laquelle au moins le corps irradié et un capteur ou le corps irradié et la source sont en mouvement
relatif.
29. Application suivant la revendication 27 ou 28. dans laquelle le corps examiné offre à sa traversée par les particules neutres une épaisseur de métal au moins
égale à 2 centimètres.
30. Application suivant l'une quelconque des revendications
27 à 29 dans laquelle le corps examiné a un volume au
moins égal à lm3.
31. Application suivant la revendication 30 dans laquelle
le corps examiné est un conteneur.
32. Application suivant la revendication 31. dans laquelle
les particules neutres sont des photons X ou gamma.
- 33 -
33. Application suivant la revendication 31 ou 32, dans laquelle l'énergie des particules neutres utilisées est
comprise entre 250 keV et 2 MeV.
34. Application suivant la revendication 33, dans laquelle l'énergie des particules neutres utilisées est comprise
entre 350 keV et 750 keV.
35. Application, à la tomographie, d'un dispositif suivant
l'une quelconque des revendications 1 à 26.
Priority Applications (16)
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| AU65172/86A AU581109B2 (en) | 1985-12-04 | 1986-11-13 | A device for detecting and localizing neutral particles, and application thereof |
| BR8605607A BR8605607A (pt) | 1985-12-04 | 1986-11-13 | Dispositivo de deteccao e de localizacao de particulas neutras,e sua aplicacao |
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| US06/934,975 US4785168A (en) | 1985-12-04 | 1986-11-25 | Device for detecting and localizing neutral particles, and application thereof |
| DE86402624T DE3688932T2 (de) | 1985-12-04 | 1986-11-26 | Vorrichtung zur Wahrnehmung und Lokalisierung von neutralen Partikeln und deren Anwendung. |
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| CA000524388A CA1267445A (fr) | 1985-12-04 | 1986-12-03 | Dispositif pour detecter et localiser des particules neutres, et son emploi |
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